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Harald Salhofer - Was Kondensatoren über ihren Inhalt verraten

Breitbandige dielektrische Resonanzspektroskopie an piezoelektrischen Polymeren

oder

Was Kondensatoren über ihren Inhalt verraten

Harald Salhofer
angefertigt an der Abteilung für Angewandte Physik des Instituts für Experimentalphysik

(inzwischen: Institut für Angewandte Physik)

Kurzfassung PDF

Vortrag PPS

Es ist seit langem bekannt, daß die elektrischen Eigenschaften eines Plattenkondensators vom verwendeten „Füllmaterial“, dem Dielektrikum abhängen. Zum Beispiel erhält man immer eine deutlich größere Kapazität, wenn man anstatt Luft (oder Vakuum) einen anderen Isolator verwendet. Man definiert die sogenannte „Dielektrizitätskonstante“ e, eine materialspezifische Zahl, die angibt um welchen Faktor die Kapazität des Kondensators durch das verwendete Dielektrikum gegenüber Luft gestiegen ist. Übliche Werte für e liegen zwischen 1 (Vakuum) und einigen 10000.

Bei genauerem Hinsehen aber ist die „Dielektrizitätskonstante“ alles andere als konstant, sondern vielmehr eine Funktion die von etlichen Parametern, z. B. Temperatur, Druck, Arbeitsfrequenz usw. abhängt. Dies führt zu einer komplexen dielektrischen Funktion die materialspezifisch ist. Alle oben genannten Abhängigkeiten lassen sich durch Struktur und Eigenschaften des verwendeten Dielektrikums erklären. Die dielektrische Funktion ist also eine Art „Fingerabdruck“ des Isolators.

Dielektrische Spektroskopie, also das genaue Ermitteln der dielektrischen Funktion über einen weiten Bereich eines oder mehrerer Parameter (z. B.: der Frequenz), kann daher erhebliche Beiträge zur Charakterisierung von Materialien leisten.

Piezoelektrika sind dielektrische Werkstoffe, die elektrische in mechanische Energie umwandeln und umgekehrt (Lautsprecher, Piezozünder, ...). Sie zeigen in ihrer Struktur eine Achse, um die zwar Rotationssymmetrie herrscht, aber die beiden Richtungen der Achse sind nicht gleichwertig (Symmetriebruch). Dadurch kommt es bei der Ladungsverschiebung zu einer Verzerrung des Materials, umgekehrt verursacht auch eine mechanische Verformung eine Ladungsverschiebung. Klassische Piezoelektrika sind Kristalle wie Quartz oder Bleizirkonattitanant.

Piezoelektrizität kann anschaulich an Polymeren („Plastik“) erklärt werden, obwohl deren innere Struktur sehr kompliziert ist, da sie aus langen Ketten bestehen. Dargestellt sind zwei unterschiedliche Beispiele, das Polymer Polyvinylidenfluorid CH2CF2 (PVDF) und ein elektrisch geladener Polymerschaum. Piezoelektrizität entsteht immer dann, wenn geladene Teilchen im Material mit unterschiedlich starken Bindungen (veranschaulicht durch Federn) gebunden sind. Bei PVDF kommen die unterschiedlichen Federn durch unterschiedliche Bindungen innerhalb (hart) und zwischen (weich) den Ketten zustande, beim Schaum durch die unterschiedliche „Weichheit“ der gasgefüllten Hohlräume (weich) und des Polymers (hart). Bevorzugte Anwendungen dieser weichen Materialien sind in der medizinischen Diagnostik (Ultraschall), aber auch für großflächige Sensoren, die z.B. in Fußböden verlegt werden können und somit zur Personendetektion geeignet sind.

Beispiel zweier piezoelektrischer Polymere, PVDF (links) und eines elektrisch geladenen Schaumes (rechts). In der Mitte ist ein einfaches Modell zur Piezoelektrizität dargestellt, das aus geladenen Teilchen besteht, die durch unterschiedlich starke Federn verbunden sind.

Verwendet man ein piezoelektrisches Material als Dielektrikum in einem Kondensator, und ermittelt dann die dielektrische Funktion, so können neben elektrischen auch elektromechanische und mechanische Materialkenngrößen gewonnen werden. Dies ist umso interessanter, da es sich um rein elektrische Messungen handelt, die i. A. leichter als z. B. mechanische Experimente durchzuführen sind.

In der vorliegenden Arbeit wurde ein experimenteller Aufbau zur Ermittlung der dielektrischen Funktion über fast 8 Frequenzdekaden (20Hz-1,8GHz) realisiert. Nebenbei wurde auch die Möglichkeit geschaffen die Temperatur (20°C-200°C) sowie in geringerem Umfang auch den Umgebungsdruck zu variieren, womit nun ein recht vielseitiges Werkzeug zur Materialanalyse verfügbar ist. Dieses wurde in weiterer Folge verwendet um im Speziellen piezoelektrische Polymere zu charakterisieren. Die Abbildungen unten zeigen deutlich, dass die „dielektrische Konstante“ eben nicht nur eine „langweilige“ Zahl ist, sondern eine interessant strukturierte Funktion der Frequenz und der Temperatur, aus der man eine Menge über das verwendete Material lernen kann.

Dielektrische Funktion (Realteil) eines piezoelektrischen Polymers

Dielektrische Funktion (Imaginärteil) eines piezoelektrischen Polymers